南方稻區(qū)弱感光型單季稻的抽穗期基因組合探索

黃得潤 張振華 樊葉楊 王世林 莊杰云 朱玉君

（中國水稻研究所/水稻生物學(xué)國家重點實驗室，杭州 310006；*通迅作者：zhuyujun@caas.cn）

南方地區(qū)水稻播種面積占全國水稻總播種面積的60%以上。改革開放以來，快速的城鎮(zhèn)化和工業(yè)化發(fā)展導(dǎo)致南方地區(qū)務(wù)農(nóng)機會成本上升和農(nóng)村勞動力緊缺，以致水稻生產(chǎn)出現(xiàn)大面積“雙改單”季節(jié)性撂荒[1-2]。在“雙改單”趨勢不可避免的情況下，如何做好單季稻安全生產(chǎn)、提高耕地利用率值得深入研究。一般情況下，南方地區(qū)單季稻在5 月中下旬播種，6 月中下旬移栽，10 月上旬收獲。如果能將單季稻的播種期延長15 d 以上，卻又能保證水稻品種安全抽穗及正常收獲，即選育弱感光型的單季稻品種，那么單季稻播種及移栽期的勞動力緊缺問題會因播種期跨度增加而得到緩解，在一定程度上有助于穩(wěn)定并提升單季稻的種植面積，從而提高耕地利用率。

水稻抽穗期的長短主要由品種的感光性、感溫性和基本營養(yǎng)生長性決定，感光性在其中扮演著主導(dǎo)作用。Hd1、Ghd7、DTH8 和Hd2 是控制水稻感光性的4 個關(guān)鍵基因[3-9]。Ghd7、DTH8 和Hd2 通常在功能型Hd1背景下表現(xiàn)強感光，而在非功能hd1 背景下表現(xiàn)弱感光[10-14]。筆者在前期研究中發(fā)現(xiàn)，在我國南方各稻區(qū)主栽單季稻中，86.96%的品種在Hd1 座位上攜帶非功能型等位基因，在Ghd7 座位上攜帶功能型等位基因，而在DTH8 和Hd2 座位上存在廣泛變異[15]，這說明南方稻區(qū)單季稻的抽穗期變異主要取決于DTH8 和Hd2 基因型組合。本研究擬在hd1Ghd7 背景下，比較DTH8 和Hd2 各基因型組合在不同日照長度下的抽穗期變化，探索南方稻區(qū)弱感光型單季稻品種的最適抽穗期基因組合，為培育弱感光型單季稻品種提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本研究所用水稻材料為1 套重組自交系群體（recombinant inbred line, RIL），其雙親分別為秈型恢復(fù)系D71 和中恢161，從F2起通過單粒傳的方式加代至F7。D71 和中恢161 由筆者所在課題組育成，在Hd1 和Ghd7 基因座位上屬于南方稻區(qū)單季稻主栽品種的基因型。在Hd1 座位上，D71 和中恢161 分別為Type3 和Type7 型等位基因，均屬于非功能型等位基因[16]；在Ghd7 座位上，D71 和中恢161 分別為Hap2 和Hap1 型等位基因，均屬于強功能型等位基因[17]。在DTH8 和Hd2 座位上分別為不同功能型等位基因。在DTH8 座位上，D71 為Hap2 型功能等位基因，中恢161 為Hap9型非功能等位基因[17]。在Hd2 座位上，D71 為PRR37-1a 型非功能等位基因，中恢161 為PRR37-1 型功能等位基因[8]。綜上所述，D71 和中恢161 在Hd1 座位上均攜帶非功能等位基因，在Ghd7 座位上均攜帶功能等位基因，而在DTH8 和Hd2 座位上攜帶具有功能差異的等位基因。該RIL 群體共包含408 個F7株系，2019 年和2020 年分別從中隨機挑選261 個和236 個株系種植于浙江杭州，其中89 個株系重復(fù)種植。

1.2 田間試驗和性狀鑒定

于2019 年和2020 年開展分期播種試驗。2019 年播種時間分別為4 月28 日（Ⅰ期）、5 月15 日（Ⅱ期）和6 月5 日（Ⅲ期），即在常規(guī)單季稻播期前后約20 d 各安排1 期；基于2019 年的試驗結(jié)果，2020 年的播種時間在單季稻常規(guī)播期上依次增加7 d，分別為5 月19日（Ⅰ期）、5 月26 日（Ⅱ期）、6 月2 日（Ⅲ期）和6 月9日（Ⅳ期）。各期所有株系均種植1 行12 株。2019 年單株記載抽穗期，以12 株的平均值作為該株系的抽穗期；2020 年株系記載抽穗期，當(dāng)每個株系有50%單株抽穗時記為該株系的抽穗期。

1.3 標(biāo)記檢測

根據(jù)雙親在DTH8 和Hd2 基因座位上的差異，應(yīng)用Oligo 7.0 軟件設(shè)計多態(tài)性PCR 引物（表1）?；烊「髦晗抵虚g10 個單株的葉片提取DNA ，PCR 擴增產(chǎn)物經(jīng)6%非變性聚丙烯酰胺凝膠電泳分離后，銀染顯色。

表1 本研究所用引物信息

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Office Excel 分析各播期抽穗期的最小值、最大值、平均值、峰度和偏度等。采用單因素方差分析檢測DTH8 和Hd2 對各播期抽穗期的遺傳作用。采用Duncan 多重比較分析DTH8Hd2 和DTH8hd2基因型組合在不同播期下的抽穗期差異，上述分析均采用SAS 軟件進行。

2 結(jié)果與分析

2.1 抽穗期表型鑒定結(jié)果

如表2 所示，2019 年，隨著播期延遲，抽穗期的平均值逐漸下降，可能是氣溫逐漸上升的緣故。另外，Ⅰ期所有株系在長日照（日照長度大于13.5 h）條件下完成營養(yǎng)生長向生殖生長的轉(zhuǎn)變（以抽穗期減去30 d記）；Ⅲ期時，DTH8Hd2 和DTH8hd2 組合株系感光期的日照長度均小于13.5 h，即在短日照條件下完成生殖轉(zhuǎn)變。2020 年將Ⅰ期設(shè)定在單季稻常規(guī)播種期往后每隔7 d 播1 期，播期跨度21 d。結(jié)果顯示，4 期所有株系均安全抽穗，抽穗期的平均值在87.3～90.3 d 之間，差異不大。

表2 不同播期的抽穗期表型

2.2 DTH8 和Hd2 對抽穗期變異的遺傳作用

如表3 所示，2019 年3 期均檢測到DTH8 和Hd2對抽穗期的顯著作用，兩基因座位上功能等位基因均表現(xiàn)為延遲抽穗。DTH8 在3 期中作用穩(wěn)定，加性效應(yīng)介于7.1 ～9.1 d 之間，貢獻率介于72.8%～80.5%之間。Hd2 隨著播期推遲效應(yīng)呈下降趨勢，加性效應(yīng)由Ⅰ期的3.3 d 減小至Ⅲ期的1.6 d，貢獻率由19.0%降低至6.3%。在2020 年，DTH8 在各播期仍表現(xiàn)出對抽穗期的延遲作用，且效應(yīng)穩(wěn)定，加性效應(yīng)介于8.1～8.5 d 之間，貢獻率介于81.2%～85.5%之間。Hd2 僅在前兩期表現(xiàn)出顯著作用，加性效應(yīng)分別為2.3 d 和1.8 d，貢獻率分別為5.6%和3.2%。

表3 DTH8 和Hd2 對抽穗期的遺傳作用

2 年試驗結(jié)果表明，DTH8 對該群體的抽穗期變異具有主效作用，且不受日照長短變化影響。Hd2 的遺傳作用受到日照長短變化的影響，當(dāng)群體生殖轉(zhuǎn)變在長日照條件下完成時，具有顯著作用，而當(dāng)生殖轉(zhuǎn)變在長短日照兼有的條件下完成時，遺傳作用減弱或不顯著。

2.3 DTH8 和Hd2 不同基因型組合間抽穗期比較

按照DTH8 和Hd2 等位基因有無功能，將所有株系分成4 組，分別為DTH8Hd2、DTH8hd2、dth8Hd2 和dth8hd2。

2019 年，dth8Hd2 和dth8hd2 組合所有株系在3 個播期中均在長日照條件下完成生殖轉(zhuǎn)變，抽穗期短。DTH8Hd2 和DTH8hd2 組合株系在Ⅰ期時均在長日照下完成生殖轉(zhuǎn)變，在Ⅲ期時均在短日照下完成生殖轉(zhuǎn)變。通過進一步比較DTH8Hd2 和DTH8hd2 組合株系在Ⅰ期和Ⅲ期的抽穗期表現(xiàn)，相較于長日照條件下的Ⅰ期，兩基因型組合對應(yīng)株系在日照變短的Ⅲ期種植時，抽穗期均顯著縮短。DTH8Hd2 組合下降幅度較大，為11.7 d；DTH8hd2 組合下降幅度較小，為8.5 d。該結(jié)果表明這兩種基因型組合具有弱感光性，早播時抽穗期長，遲播時抽穗期縮短，DTH8Hd2 較DTH8hd2 更為明顯（圖1）。

圖1 DTH8Hd2 和DTH8hd2 基因型組合的抽穗期比較

2020 年，dth8Hd2 和dth8hd2 組合株系的抽穗期表現(xiàn)與2019 年一致，均在長日照條件下完成生殖轉(zhuǎn)變。DTH8Hd2 和DTH8hd2 組合株系在Ⅰ期時，除4 個株系外，其余均在長日照條件下完成生殖轉(zhuǎn)變；Ⅲ期和Ⅳ期種植時，除2 個株系外，其余均在短日照條件下完成生殖轉(zhuǎn)變；Ⅱ期種植時，在長、短日照條件下完成生殖轉(zhuǎn)變的株系數(shù)各占一定比例。進一步比較DTH8Hd2 和DTH8hd2 組合株系在Ⅰ期、Ⅲ期和Ⅳ期的抽穗期表現(xiàn)，對于DTH8hd2 組合，相較于長日照條件的Ⅰ期，日照變短的Ⅲ期抽穗期反而略有延長（3.6 d），隨著播期進一步延后，Ⅳ期抽穗期再次縮短至Ⅰ期水平。這暗示該組合抽穗期長短可能容易受到溫度或者其他環(huán)境因素的影響。對于DTH8Hd2 組合，相較于長日照條件的Ⅰ期，日照變短的Ⅲ期抽穗期縮短1.5 d，且隨著播期延后，日照長度更短的Ⅳ期抽穗期進一步縮短（4.4 d）。另外，筆者還發(fā)現(xiàn)DTH8Hd2 和DTH8hd2 組合株系抽穗期在Ⅲ期和Ⅳ期均無顯著差異，僅在早播的長日照條件下有差異，DTH8Hd2 組合的抽穗期平均要長3.7 d，盡可能多的利用了光溫資源（圖1）。

3 結(jié)論與討論

本研究應(yīng)用1 套秈秈交重組自交系群體，通過2年共7 個播期的抽穗期比較，發(fā)現(xiàn)hd1Ghd7dth8hd2 和hd1Ghd7dth8Hd2 基因型組合株系無論播期早晚（早播：4 月28 日；晚播：6 月9 日），均在長日照下完成生殖轉(zhuǎn)變，該結(jié)果說明在這4 個感光性關(guān)鍵基因座位上，僅攜帶功能型Ghd7 或同時攜帶功能型Ghd7 和Hd2，雖然能在不同生態(tài)條件下安全抽穗，但生長期太短，光溫資源利用不足，產(chǎn)量不高，在育種實踐中應(yīng)用潛力不大。而hd1Ghd7DTH8Hd2 和hd1Ghd7DTH8hd2 基因型組合株系早播時抽穗期較長，可充分利用光溫資源，隨著播期延長、日照變短，抽穗期隨之縮短，避免了后期低溫對灌漿結(jié)實的影響，該結(jié)果說明這兩種基因型組合符合南方稻區(qū)弱感光型單季稻品種的生長要求，具有育種應(yīng)用潛力。

此外，比較弱感光型基因組合hd1Ghd7DTH8Hd2和hd1Ghd7DTH8hd2 的抽穗期表現(xiàn)，前者在早播時的抽穗期比后者多3.7 d，說明hd1Ghd7DTH8Hd2 組合在育種實踐中的潛力要優(yōu)于hd1Ghd7DTH8hd2，原因在于前者早播時更能充分利用光溫資源。這兩種基因型組合的差異在于Hd2 功能的有無。在分析單個基因?qū)Τ樗肫谧儺惖倪z傳作用中，Hd2 在早期播種時表現(xiàn)出較小的遺傳作用，隨著播期延遲、日照變短，效應(yīng)減小甚至不再顯著（表3），很好解釋了hd1Ghd7DTH8Hd2組合抽穗期長于hd1Ghd7DTH8hd2 組合的現(xiàn)象。對于這兩種基因型組合，其育種應(yīng)用的價值在于，它們在單季稻常規(guī)播期（5 月中下旬）延后21 d 播種仍能安全抽穗和成熟，這對于緩解單季稻播種期及移栽期的勞動力緊缺問題具有重要意義。

相比弱感光型單季稻水稻品種，弱感光型晚稻品種目前是華南雙季稻區(qū)晚稻生產(chǎn)中極為重要的生態(tài)型品種。這類雜交稻品種不會因生育前中期高溫提早抽穗而影響產(chǎn)量，也不會因生育后期遇低溫而影響籽粒充實度和稻米品質(zhì)，在華南雙季稻區(qū)深受農(nóng)戶喜愛。這類雜交稻的選育一般有兩種途徑：利用自身不感光但雜種表現(xiàn)感光的不育系與恢復(fù)系配組；利用自身生育期較長的遲熟恢復(fù)系與不育系配組[18]。目前生產(chǎn)上應(yīng)用的高豐優(yōu)689、廣8 優(yōu)165 和龍豐優(yōu)169 等都屬于弱感光型水稻品種[19-21]。

那么，針對本研究篩選到的這些弱感光型恢復(fù)系該與哪種類型的不育系進行測配，才能選育出弱感光型單季稻組合？陳賽華等[22]通過分析水稻不育系湘陵628S 不同組合感光性差異，發(fā)現(xiàn)該不育系攜帶有隱性等位基因hd1 和ghd7，顯性等位基因DHT8，總體表現(xiàn)出弱感光性。應(yīng)用分子標(biāo)記檢測恢復(fù)系在Hd1 和Ghd7座位上的等位基因型，可加快弱/不感光雜交組合的選育。由此，我們亦可通過檢測不育系的感光性基因預(yù)測雜交稻組合的感光性強弱。希望本研究結(jié)果能為弱感光型單季稻組合選育提供參考依據(jù)。